中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、陈明城教授等利用基于自主研发的Plasmonium（等离子体跃迁型）超导高非简谐性光学谐振器阵列，实现了光子间的非线性相互作用，并进一步在此系统中构建出作用于光子的等效磁场以构造人工规范场，在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。这是利用“自底而上”的量子模拟方法进行量子物态和量子计算研究的重要进展。相关成果以长文的形式于北京时间5月3日发表在国际学术期刊《科学》（Science）上。 霍尔效应是指当电流通过置于磁场中的材料时，电子受到洛伦兹力的作用，在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。这个效应由美国科学家霍尔在1879年发现，并被广泛应用于电磁感测领域。1980年，德国科学家冯·克利钦发现在极低温和强磁场条件下，霍尔效应出现整数量子化的电导率平台。这一新现象超出了经典物理学的描述，被称为整数量子霍尔效应，它为精确测量电阻提供了标准。1981年，美籍华裔科学家崔琦和德国科学家施特默发现了分数量子霍尔效应。整数和分数量子霍尔效应的发现分别获得1985年和1998年诺贝尔物理学奖。 此后四十余年间，分数量子霍尔效应尤其受到了广泛的关注。由于最低朗道能级简并电子的相互作用，分数量子霍尔态展现出非平庸的多体纠缠，对其研究所衍生出的拓扑序、复合费米子等理论成果逐渐成为多体物理学的基本模型。与此同时，分数量子霍尔态可激发出局域的准粒子，这种准粒子具有奇异的分数统计和拓扑保护性质，有望成为拓扑量子计算的载体。 反常霍尔效应是指无需外部磁场的情况下观测到相关效应。2013年，中国研究团队观测到整数量子反常霍尔效应。2023年，美国和中国的研究团队分别独立在双层转角碲化钼中观测到分数量子反常霍尔效应。 传统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的方式，即在特定材料的基础上，利用该材料已有的结构和性质实现制备量子霍尔态。通常情况下，需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场，对实验要求较为苛刻。此外，传统“自顶而下”的方法难以对系统微观量子态进行单点位独立地操控和测量，一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用。 与之相对地，人工搭建的量子系统结构清晰，灵活可控，是一种“自底而上”研究复杂量子物态的新范式。其优势包括：无需外磁场，通过变换耦合形式即可构造出等效人工规范场；通过对系统进行高精度可寻址的操控，可实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量，并加以进一步可控的利用。这类技术被称为量子模拟，是“第二次量子革命”的重要内容，有望在近期应用于模拟经典计算困难的量子系统并达到“量子计算优越性”。 此前，国际上已经基于其开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作。然而，由于以往系统中耦合形式和非线性强度的限制，人们一直未能在二维晶格中为光子构建人工规范场。 为解决这一重大挑战，团队在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特Plasmonium，打破了目前主流的Transmon（传输子型）量子比特相干性与非简谐性之间的制约，用更高的非简谐性提供了光子间更强的排斥作用。进一步，团队通过交流耦合的方式构造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格的流动可积累Berry（贝里）相位，解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题。同时，这样的人造系统具有可寻址、单点位独立控制和读取，以及可编程性强的优势，为实验观测和操纵提供了新的手段。 在该项工作中，研究人员观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质，验证了该系统的分数霍尔电导。同时，他们通过引入局域势场的方法，跟踪了准粒子的产生过程，证实了准粒子的不可压缩性质。 《科学》杂志审稿人高度评价这一工作，认为这一工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”（a significant advance in quantum simulation with interacting photons），“一种新颖的局域单点控制和自底而上的途径”（a novel form of local control and bottom-up approach），“有潜力为实现非阿贝尔拓扑态开辟一条新的途径，这是利用二维电子气材料的传统方法很难探测的”（potentially open new pathways for realizing non-Abelian topological states, which have been extremely challenging to probe in two-dimensional electron gases）。 诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek评价，这种“自底而上”、用人造原子构建哈密顿量的途径是一个“非常有前途的想法”（a very promising idea），这是一个令人印象深刻的实验（a very impressive experiment），为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步（a remarkable step）。沃尔夫奖获得者Peter Zoller评价，“这在科学和技术上都是一项杰出的成就”（a remarkable achievement, both scientifically and technically），“实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的圣杯之一”（one of the holy grails of quantum simulation）。 成果示意图。16个非线性“光子盒”阵列囚禁的微波光子强相互作用形成分数量子反常霍尔态（注：“光子盒”的名字最早来自1930年爱因斯坦和波尔争论提出的思想实验） 在非线性光子系统中构建人工规范场，实现光子的分数量子霍尔态 观察到分数量子霍尔态的拓扑关联和拓扑光子流 观察到准粒子的不可压缩和分数霍尔电导 查看详细>>

微纳光学器件具有在亚波长尺度范围内发射、引导、调制、局域、吸收和探测光的能力。与传统的光学器件相比，微纳光学器件具有更小的体积、更高的集成度以及更加丰富的光学功能，展现出更广阔的应用前景和更高的技术价值，现已成为现代集成光学系统中不可或缺的组成部分。在性能方面，微纳光学器件展示出高分辨率、高传输效率和高开关比等优异的光学性能；在制作工艺上，微纳光学器件采用与半导体工艺兼容的先进加工技术，不仅保证了高生产效率和精确度，还降低了生产成本。微纳光学器件的发展极大的推动了集成光学技术的进步，使得许多新奇的光学现象和技术成为可能，并因此带来了光学神经网络、光子集成电路、光量子技术、光通信、生物传感和光学成像等领域的技术革新。 静态微纳光学器件的光学特性在其制备完成后随之固定，在一定程度上限制了器件功能性的拓展，通过引入功能材料（如液晶、半导体材料、二维材料、柔性材料、相变材料等）或功能器件（如异质结、微机电系统等），能够实现微纳光学器件光学响应的可逆动态调控，从而形成了可重构微纳光学器件。其中，相变材料因相变过程中伴随的材料光学性质或形状变化而实现相应器件的可重构光学调制，具有相变响应速度快、可循环次数多、相变引起的光学对比度高以及相变激励方式多元化等优点，为实现可重构微纳光学器件提供了极具竞争力的解决方案。 中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心微加工实验室的李俊杰课题组近年来聚焦于微纳光子学器件设计、加工及功能集成方面的研究，并在基于相变材料光学超表面的动态光场调控方面取得了一系列重要进展（Advanced Functional Materials 2024，34,2310626；Laser&Photonics Reviews 2023，17，2200364；Nanoscale 2020，12,8758；Applied Physics Letters 2018，113,231103）。在此基础上，该课题组参考了大量文献资料和最新研究报道，撰写了基于相变材料的可重构微纳光学器件的综述文章，从相变材料的性质和相变机制的角度出发，对其在可重构微纳光学器件方面的应用做出了详细介绍和评述（见图1）。文中介绍的用于实现可重构微纳光学器件的相变材料主要包括三种，分别是硫系相变材料（Chalcogenides）、过渡金属氧化物（Transition metal oxides）以及形状记忆合金（Shape memory alloys）。如图2所示，材料的相变激励方式包括热调控、光调控、电调控、机械调控、磁场调控和电化学调控。其中，电调控与光调控在调控的便利性与可集成性方面优于其它的相变调控方式，是两种最具应用价值的相变调控手段（见图3）。相变前后，硫系相变材料与过渡金属氧化物的介电性质发生了明显的变化，这分别源于电子离域程度以及能带结构的改变，而形状记忆合金则表现出基于马氏体相变的可重构形状变化（见图4）。表1汇总了目前报道的基于相变材料的可重构微纳光学器件，主要包括：可重构超表面、可重构片上光学器件、可调光学薄膜器件、光电探测器、全光开关、可调超表面吸收器、可调太赫兹等离激元器件以及可重构双稳态光学器件等，这些器件的工作波段涵盖紫外、可见、红外以及太赫兹波段，所包含的相变材料形式多样，既有薄膜形式，也包括图案化结构，而实现相变调控的手段主要集中在电调控和光调控技术上。这些器件以按需或自适应的调控方式与入射光相互作用，从而实现特定的光学调制功能，在新一代微纳光学器件及集成光学系统的发展中发挥了不可替代的作用。最后，该综述对基于相变机制的可重构微纳光学器件的现有挑战及未来发展方向进行了总结和展望。在推动可重构微纳光学器件的实用化进程中，应充分考虑相变功耗、调控便利性、相变均匀性、光信号调制幅度与传输效率等问题，未来，基于相变机制的可重构微纳光学器件将进一步向着高度集成化、高效调制、快速响应、低功耗和耐用性出色的方向发展。 图1三类相变材料及其在可重构微纳光学器件中的应用 图2三类相变材料的元素组成及相变激励手段 图3电调控与光调控示意图 图4相变的物理机制及相变引起材料性质的变化 表1基于相变材料的可重构微纳光学器件汇总 查看详细>>

摩擦/力致发光材料能将机械力学信号直接转化成光信号，在结构健康监测、生物力学传感、人工智能、人机交互等领域具有应用价值。然而，现有摩擦/力致发光材料普遍存在难以自恢复、重复性差以及易受环境干扰等问题，限制了其实际应用。 中国科学院兰州化学物理研究所研究员王赵锋团队长期从事摩擦/力致发光机理、性能调控及器件研究。此前，研究人员针对普遍存在的非陷阱、非压电型摩擦/力致发光，提出了界面摩擦电场诱导电子轰击发光模型；基于该模型，进一步发展出多种无需预充能的自恢复摩擦/力致发光材料，创制出可由机械力学充能的长寿命摩擦/力致发光材料。 近日，该团队研究人员等发展出基于界面摩擦电场诱导电子轰击发光模型的稀土掺杂磷酸盐基摩擦/力致发光复合材料（Ca6BaP4O17:Ce3+/PDMS）。无需预充能，该材料在机械力学的刺激下可直接展现出明亮的蓝色摩擦/力致发光。 相较于已报道的自恢复摩擦/力致发光体系，Ca6BaP4O17:Ce3+/PDMS材料进一步克服摩擦/力致发光的重复性和稳定性不足的问题。在10Hz连续拉伸条件下，该材料可持续展现出近1000次肉眼可见的蓝色发光。Ca6BaP4O17:Ce3+/PDMS复合材料在298-473K温度范围内展现出较好的热稳定性能。Ca6BaP4O17:Ce3+/PDMS材料的摩擦/力致发光性能主要得益于Ca6BaP4O17:Ce3+独特的晶体结构和电子结构以及PDMS较强的电子吸附能力，二者在界面摩擦时的协同效应使得界面摩擦电场诱导电子轰击发光过程更加有效。此外，在自恢复、可重复、热稳定摩擦/力致发光性能开发基础上，该工作进一步开展了Ca6BaP4O17:Ce3+/PDMS材料在双模式信息存储和智能光子皮肤方面的应用展示。 该研究为摩擦/力致发光的性能设计与调控、新材料开发提供了新的研究思路，对于摩擦/力致发光材料的发展及实际应用具有指导意义。 查看详细>>

美国和中国研究人员近日在英国《自然》杂志上发表论文说，他们在托卡马克核聚变实验中取得突破性进展，不仅提高了等离子体密度上限，同时可使等离子体保持高约束模式的稳态运行。新研究将受控核聚变技术向着商业化方向又推进一步，但能否推广到更大规模的设备上仍有待验证。 受控核聚变技术有望为人类提供近乎无限的清洁能源，帮助人类摆脱对化石燃料的依赖。托卡马克反应堆是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形装置，被认为是利用核聚变发电的反应堆中最有前景的设计之一。在托卡马克反应堆内，氢的同位素氘和氚被加热到超高温度以产生等离子体，强磁场将高温等离子体约束在环形管道中，使其发生聚变反应。 英国《新科学家》杂志报道说，通常认为，在托卡马克核聚变反应中存在一个等离子体密度临界点，即“格林沃尔德极限”。实验表明，增加等离子体的密度可以提高能量产出。然而当等离子体密度达到“格林沃尔德极限”后将无法进一步提升，否则等离子体就会逃脱磁场约束，造成反应堆损坏。 在最新研究中，美国通用原子公司、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和中国科学院等离子体物理研究所等机构参与的团队成功让美国杜布莱特III-D托卡马克核聚变实验装置在等离子体平均密度比“格林沃尔德极限”提高20%的情况下，稳定运行了2.2秒；同时还实现了能量约束水平比标准的高约束模式高出约50%。 据报道，研究人员尝试将已有的不同方法结合起来，创造出一种新的运行机制。他们通过提高“甜甜圈”形状等离子体的核心部位密度来增加能量输出，同时允许等离子体密度在靠近安全壳的边缘下降，从而避免等离子体逃逸。他们还向等离子体中注入氘气，以平息特定部位的反应。 研究人员指出，该运行机制可以支持世界上现有核聚变反应堆设计中的一些关键要求，并为生产具有经济吸引力的聚变能源开辟了一条潜在途径。 查看详细>>